CN107100548A - 深井超深井围压射流模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种深井超深井围压射流模拟装置，包括顶部能开启、且能密封的釜体，所述釜体内的一侧壁上能拆卸地设置有射流受体，所述釜体内还设置有能加压流体、且能使流体循环流动的柱塞泵，所述柱塞泵的出口连通有与所述射流受体同轴设置的射流喷嘴，所述射流喷嘴的出口中心与所述射流受体的端面中心呈相对设置；所述釜体上连通有能给所述釜体加压的静压泵，所述釜体的底部连通设置有泄压阀和排液阀。该装置可以获得较高的围压值，能够模拟深井超深井中的高压射流过程，为深井超深井钻井水力射流辅助破岩提高钻速的研究具有指导意义。

Description

深井超深井围压射流模拟装置

技术领域

本发明涉及石油天然气开采技术领域，尤其涉及一种能模拟深井超深井中的高围压条件的深井超深井围压射流模拟装置。

背景技术

我国陆地油气资源分布呈现一定的格局。东部地区是石油资源主力生产区，浅层及中深层的勘探程度相对较高，而深层以及超深层探明程度相对却较低，因此东部地区深部地层的开采潜力是很大的；在中部地区，天然气相对较为富集，然而深部地层的天然气储量占中部地区总储量的50％以上；对于西部地区，有近70％油气资源处于深部地层，未来，西部地区将会是我国油气产量的主要接替区。由以上的油气分布格局可以看出，石油天然气开采必须重视深部地层的勘探与开发，不断的去发展深井(井深在4500～6000米的直井)以及超深井(井深在6000～9000米的直井)钻井技术，充分的获取地层深部的油气资源，只有这样才能立足市场，才能获得更多的效益，进一步为能源安全作出强有力的保障。

近几年来，随着深层找油找气力度的加大，深井超深井的应用越来越多。然而深井超深井温度、压力很高，地质条件和工程条件异常复杂,导致深井超深井钻井施工复杂，事故发生率高，造成其钻速较低，工作时间极大延长，在人力、物力、财力上造成了极大的浪费。由此可见，研究深井超深井提速钻井技术尤为重要。

目前提高深井超深井机械钻速的方法很多，其中包括采用超高压喷射钻井技术，通过钻井液全部增压或部分增压使射流直接或辅助破岩，也可利用水力脉冲空化射流钻井技术，通过产生水力脉冲、瞬时负压和空化冲蚀等效应来提高清岩效率和改变井底岩石应力状态，从而提高机械钻速。

为了研究在深井超深井环境中高压水射流破岩、清岩等作用机理及效果，需要开展地面模拟试验。由于深井超深井中射流与岩石均处在高围压环境中，因此在地面需要模拟高围压条件。目前均利用憋压的方式加载围压，即通过控制出口阀的开度来控制围压容器内的压力，该方法存在动能与压能相互转换的问题，即围压容器内的压力由高速流体的动能转化而来，不能模拟真实的井下射流环境，且所能达到的最高围压有限(一般≤40MPa)。然而对于深井超深井，地层压力很高甚至可以到达上百兆帕，由此可见憋压的加载方式不足以模拟深井超深井中高围压环境。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种深井超深井围压射流模拟装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深井超深井围压射流模拟装置，克服现有技术中憋压的加载方式无法满足深井超深井围压要求的问题，该装置可以获得较高的围压值，能够模拟深井超深井中的高压射流过程，为深井超深井钻井水力射流辅助破岩提高钻速的研究具有指导意义。

本发明的目的是这样实现的，一种深井超深井围压射流模拟装置，包括顶部能开启、且能密封的釜体，所述釜体内的一侧壁上能拆卸地设置有射流受体，所述釜体内还设置有能加压流体、且能使流体循环流动的柱塞泵，所述柱塞泵的出口连通有与所述射流受体同轴设置的射流喷嘴，所述射流喷嘴的出口中心与所述射流受体的端面中心呈相对设置；所述釜体上连通有能给所述釜体加压的静压泵，所述釜体的底部连通设置有泄压阀和排液阀。

在本发明的一较佳实施方式中，所述釜体内设置有能支撑所述射流喷嘴、且能水平移动地改变所述射流喷嘴与所述射流受体间距的喷距调节装置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述柱塞泵的出口密封连通有长度能伸缩的高压软管，所述高压软管的出口通过直接头与所述射流喷嘴密封连通，所述喷距调节装置的顶部与所述直接头固定连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述喷距调节装置包括所述釜体的底面上设置有沿所述射流喷嘴的轴向设置的滑轨，所述滑轨上滑动连接有喷嘴支撑架，所述喷嘴支撑架的顶部与所述直接头固定连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述射流受体为测压盘，所述测压盘能拆卸地连接于所述釜体内的一侧壁上，所述测压盘与压力采集器电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述测压盘包括一中空的圆筒，所述圆筒的一端设置有连接底盘，所述测压盘的另一端设置有测压盘面，所述测压盘面上沿周向以90°相位差螺旋分布有多个盘面测压孔，所述连接底盘上与各所述盘面测压孔相对的位置处设置盘底测压孔，各所述盘面测压孔分别通过测压管与各所述盘底测压孔连通，各所述盘底测压孔内分别连接有压力传感器，各所述压力传感器均与所述压力采集器电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述射流受体为岩心，所述釜体内的一侧壁上能拆卸地连接有岩心夹持器，所述岩心夹持器的底座通过螺栓连接于所述釜体的一侧壁上，所述底座上固定连接有开口朝向所述射流喷嘴设置的岩心筒，所述岩心筒内通过销钉夹持设置所述岩心。

在本发明的一较佳实施方式中，所述柱塞泵上连接有传动轴，所述釜体靠近所述柱塞泵的侧壁上密封穿设有传动轴机械密封装置，所述传动轴密封穿设通过所述传动轴机械密封装置后与发动机连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述柱塞泵上设置有开口朝上的流体入口，所述流体入口处设置有筛网。

在本发明的一较佳实施方式中，所述釜体上连通设置有能显示所述釜体内的围压数值的第一压力表，所述釜体的外部还设置有第二压力表，所述第二压力表通过密封穿设通过所述釜体的测压管与所述柱塞泵的出口连通。

由上所述，本发明提供的深井超深井围压射流模拟装置具有如下有益效果：

本发明的深井超深井围压射流模拟装置通过静压泵向釜体内注压构成较高的围压环境，釜体内的的流体通过柱塞泵加压后经射流喷嘴射出，形成了高围压环境下的高速射流，高速射流可以冲击岩心进行破岩，也可以通过射流至测压盘从而测出实验时岩心表面的压力分布情况；本发明的深井超深井围压射流模拟装置结构简单，能够通过方便的操作模拟深井超深井中的高压射流过程，利于研究深井超深井高围压下射流衰减及破岩规律，为深井超深井钻井水力射流辅助破岩提高钻速的研究具有指导意义。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的深井超深井围压射流模拟装置示意图。

图2：为图1中A-A剖视示意图。

图3：为本发明的釜体的底面示意图。

图4：为本发明的测压盘及压力采集器连接示意图。

图5：为本发明的测压盘面示意图。

图中：

100、深井超深井围压射流模拟装置；

1、釜体；

11、顶盖；12、加压流体入口；

2、柱塞泵；

20、泵支架；21、高压软管；22、直接头；23、滑轨；24、喷嘴支撑架；25、传动轴；26、传动轴机械密封装置；27、发动机；

3、射流喷嘴；

4、静压泵；

51、泄压阀；52、排液阀；53、进液阀；

61、第一压力表；62、第二压力表；

71、测压盘；

711、圆筒；712、连接底盘；713、测压盘面；714、盘面测压孔；715、压力传感器；

72、岩心；

721、岩心夹持器；7211、底座；7212、岩心筒；7213、销钉；

8、压力采集器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图5所示，本发明的深井超深井围压射流模拟装置100，包括顶部能开启、且能密封的釜体1，釜体1的承压范围是10～100Mpa，在本实施方式中，为了方便安装更换岩心以及零件的定期保养与维修，釜体1的顶部设置有能拆卸的、且能密封釜体1的顶盖11，顶盖11通过螺钉连接于釜体1的顶部，为保证釜体1的密封性，顶盖11与釜体之间设置高压密封结构(可以是高压密封圈，现有技术，图中未示出)；釜体1内的一侧壁上能拆卸地设置有射流受体，射流受体可以是岩心还可以是测压盘，釜体1内还设置有能加压流体、且能使流体循环流动的柱塞泵2，柱塞泵2能使釜体1内的高压流体循环流动，使其可以进行连续破岩实验。在本实施方式中，柱塞泵2上设置有开口朝上的流体入口，流体入口处设置有筛网，射流对岩心进行破岩产生的岩屑在柱塞泵2的流体入口处被筛网过滤，避免了岩屑被吸入柱塞泵2内。在本发明的一具体实施例中，柱塞泵2底部通过螺栓连接有泵支架20，泵支架20通过螺栓固定连接于釜体1的底部；柱塞泵2的出口连通有与射流受体同轴设置的射流喷嘴3，射流喷嘴3的出口中心与射流受体的端面中心呈相对设置；釜体1上连通有能给釜体1加压的静压泵4，在本实施方式中，顶盖11上设置有加压流体入口12，加压流体入口12通过高压管线和进液阀53连接静压泵4，实验前打开釜体1的顶盖11，自釜体1的顶部开口注入流体，封闭釜体1后启动静压泵4给釜体1加压，当压力达到实验所需围压值时，停止静压泵4，釜体1内形成较高的围压环境，从而实现模拟深井超深井围压射流环境；釜体1内的流体通过柱塞泵2加压后经射流喷嘴3射出，形成了高围压环境下的高速射流，高速射流可以冲击岩心进行破岩，也可以通过射流至测压盘从而测出实验时岩心表面的压力分布情况。釜体1的底部连通设置有泄压阀51和排液阀52，在本实施方式中，釜体1的侧壁底部设置有泄压孔，泄压孔与泄压阀51连通；釜体1的侧壁底部设置有排液孔，排液孔与排液阀52连通，试验完成后，通过泄压阀51释放釜体1内的压力，流体通过排液阀52排出釜体1。

本发明的深井超深井围压射流模拟装置100通过静压泵4向釜体1内注压构成较高的围压环境，其围压范围能达到10～100Mpa，釜体1内的的流体通过柱塞泵2加压后经射流喷嘴3射出，形成了高围压环境下的高速射流，高速射流可以冲击岩心进行破岩，也可以通过射流至测压盘从而测出实验时岩心表面的压力分布情况。本发明的深井超深井围压射流模拟装置100结构简单，能够通过方便的操作模拟深井超深井中的高压射流过程，利于研究深井超深井高围压下射流衰减及破岩规律，为深井超深井钻井水力射流辅助破岩提高钻速的研究具有指导意义。

进一步，如图1至图3所示，釜体1内设置有能支撑射流喷嘴3、且能水平移动地改变射流喷嘴3与射流受体间距的喷距调节装置。在本实施方式中，柱塞泵2的出口密封连通有长度能伸缩的高压软管21，高压软管21的出口通过直接头22与射流喷嘴3密封连通，喷距调节装置的顶部与直接头22固定连接。在本发明的一具体实施例中，喷距调节装置包括釜体1的底面上设置有沿射流喷嘴3的轴向设置的滑轨23，滑轨23通过螺栓固定连接于釜体1的底面上；滑轨23上滑动连接有喷嘴支撑架24，可以通过调整喷嘴支撑架24的位置调节射流喷距；喷嘴支撑架24的顶部与直接头22固定连接，在本实施方式中，喷嘴支撑架24的顶部与直接头22通过螺栓连接。在本实施方式中，喷嘴支撑架24为梯形支架，喷嘴支撑架24的底部通过T型螺栓与滑轨23连接，喷嘴支撑架24的高度需要满足的条件是能保证射流喷嘴3与射流受体同轴设置、且其出口中心与射流受体的端面中心相对设置，当射流速度需要进行调整时，可以更换不同型号的射流喷嘴3；在更换不同的射流喷嘴3时，喷嘴支撑架24的顶部与直接头22固定连接能够保证各型号的射流喷嘴3与射流受体同轴设置、且其出口中心与射流受体的端面中心相对设置。

进一步，釜体1内部的射流受体为测压盘71或岩心72。

当射流受体为测压盘71时，测压盘71能拆卸地连接于釜体1内的一侧壁上(远离柱塞泵2且与柱塞泵2相对的侧壁)，测压盘71与压力采集器8电连接。如图4所示，在本实施方式中，测压盘71包括一中空的圆筒711，圆筒711的一端设置有连接底盘712，测压盘71的另一端设置有测压盘面713，测压盘面713上沿周向以90°相位差螺旋分布有多个盘面测压孔714，连接底盘712上与各盘面测压孔714相对的位置处设置盘底测压孔，各盘面测压孔714分别通过测压管与各盘底测压孔连通，各盘底测压孔内分别连接有压力传感器715，各压力传感器715均与压力采集器8电连接，可以测得高压射流在高围压环境下冲击压力分布。

如图1所示，当射流受体为岩心72时，釜体1内的一侧壁上能拆卸地连接有岩心夹持器721，岩心夹持器721的底座7211通过螺栓连接于釜体1的一侧壁上，底座7211上固定连接有开口朝向射流喷嘴设置的岩心筒7212，岩心筒7212内通过销钉7213夹持设置岩心72。

在本实施方式中，前述的釜体1的一侧壁上设置有圆透孔，在圆透孔的周围设置有螺栓孔，测压盘71能穿设通过圆透孔固定于釜体1内，测压盘71与圆透孔之间设置有静密封结构，该静密封结构可以是密封垫圈或圆环状密封胶；测压盘71的连接底盘712通过螺栓连接于螺栓孔内实现测压盘71的固定，岩心夹持器721的底座7211通过螺栓连接于螺栓孔内实现岩心夹持器721在釜体1内的固定。

进一步，如图1所示，柱塞泵2上连接有传动轴25，釜体1靠近柱塞泵2的侧壁上密封穿设有传动轴机械密封装置26，传动轴25密封穿设通过传动轴机械密封装置26后与发动机27连接。发动机27可以是柴油发动机组或电动发动机组，发动机27与传动轴25之间一般通过传动比较大的传动装置进行连接，进而驱动釜体1内部的柱塞泵2。

进一步，如图1所示，釜体1上连通设置有能显示釜体1内的围压数值的第一压力表61(也可以是压力传感器)，釜体的外部还设置有第二压力表62(也可以是压力传感器)，第二压力表62通过密封穿设通过釜体1的测压管与柱塞泵2的出口连通。

在本实施方式中，如图1所示，釜体1的侧壁上设置有第一测压孔，第一测压孔处密封穿设测压管，测压管与第一压力表61连通，第一压力表61能测量釜体1内的静压力；釜体1的另一侧壁上设置有第二测压孔，测压管密封穿设通过第二测压孔连通第二压力表62和柱塞泵2的出口，第二压力表62能测量射流压力。

使用本发明的深井超深井围压射流模拟装置100进行模拟实验前，首先打开釜体1的顶盖11，将射流受体(夹持了岩心72的岩心夹持器721或测压盘71)安装固定，移动喷嘴支撑架24使射流喷嘴3与射流受体之间的距离达到实验预定值，固定好喷嘴支撑架24，关闭泄压阀51和排液阀52，自釜体1的顶部开口注入流体，封闭釜体1后打开进液阀53，启动静压泵4给釜体1加压，观察第一压力表61的示数，当压力达到实验所需围压值时，停止静压泵4，关闭进液阀53，釜体1内形成较高的围压环境，完成深井超深井围压射流环境的模拟。

准备工作完成之后，启动发动机27，柱塞泵2开始工作，釜体1内的高压流体通过流体入口进入柱塞泵2，流体经柱塞泵2加压后经流体出口、高压软管21、直接头22和射流喷嘴3射出，形成了高围压下的高速射流，射流压力通过第二压力表62测量高速射流可以冲击岩心72进行破岩，也可以通过射流至测压盘71从而测出实验时岩心表面的压力分布情况。一次实验完成后，打开泄压阀51部分流体流出释放釜体1内压力，打开排液阀52，排放高压流体和岩屑，更换射流受体(夹持了岩心72的岩心夹持器721或测压盘71)，进行下一组实验，直至实验全部结束。

本发明的深井超深井围压射流模拟装置通过静压泵向釜体内注压构成较高的围压环境，釜体内的的流体通过柱塞泵加压后经射流喷嘴射出，形成了高围压环境下的高速射流，高速射流可以冲击岩心进行破岩，也可以通过射流至测压盘从而测出实验时岩心表面的压力分布情况；本发明的深井超深井围压射流模拟装置结构简单，能够通过方便的操作模拟深井超深井中的高压射流过程，利于研究深井超深井高围压下射流衰减及破岩规律，为深井超深井钻井水力射流辅助破岩提高钻速的研究具有指导意义。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种深井超深井围压射流模拟装置，包括顶部能开启、且能密封的釜体，其特征在于，所述釜体内的一侧壁上能拆卸地设置有射流受体，所述釜体内还设置有能加压流体、且能使流体循环流动的柱塞泵，所述柱塞泵的出口连通有与所述射流受体同轴设置的射流喷嘴，所述射流喷嘴的出口中心与所述射流受体的端面中心呈相对设置；所述釜体上连通有能给所述釜体加压的静压泵，所述釜体的底部连通设置有泄压阀和排液阀。

2.如权利要求1所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述釜体内设置有能支撑所述射流喷嘴、且能水平移动地改变所述射流喷嘴与所述射流受体间距的喷距调节装置。

3.如权利要求2所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述柱塞泵的出口密封连通有长度能伸缩的高压软管，所述高压软管的出口通过直接头与所述射流喷嘴密封连通，所述喷距调节装置的顶部与所述直接头固定连接。

4.如权利要求3所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述喷距调节装置包括所述釜体的底面上设置有沿所述射流喷嘴的轴向设置的滑轨，所述滑轨上滑动连接有喷嘴支撑架，所述喷嘴支撑架的顶部与所述直接头固定连接。

5.如权利要求1所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述射流受体为测压盘，所述测压盘能拆卸地连接于所述釜体内的一侧壁上，所述测压盘与压力采集器电连接。

6.如权利要求5所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述测压盘包括一中空的圆筒，所述圆筒的一端设置有连接底盘，所述测压盘的另一端设置有测压盘面，所述测压盘面上沿周向以90°相位差螺旋分布有多个盘面测压孔，所述连接底盘上与各所述盘面测压孔相对的位置处设置盘底测压孔，各所述盘面测压孔分别通过测压管与各所述盘底测压孔连通，各所述盘底测压孔内分别连接有压力传感器，各所述压力传感器均与所述压力采集器电连接。

7.如权利要求1所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述射流受体为岩心，所述釜体内的一侧壁上能拆卸地连接有岩心夹持器，所述岩心夹持器的底座通过螺栓连接于所述釜体的一侧壁上，所述底座上固定连接有开口朝向所述射流喷嘴设置的岩心筒，所述岩心筒内通过销钉夹持设置所述岩心。

8.如权利要求1所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述柱塞泵上连接有传动轴，所述釜体靠近所述柱塞泵的侧壁上密封穿设有传动轴机械密封装置，所述传动轴密封穿设通过所述传动轴机械密封装置后与发动机连接。

9.如权利要求1所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述柱塞泵上设置有开口朝上的流体入口，所述流体入口处设置有筛网。

10.如权利要求1所述的深井超深井围压射流模拟装置，其特征在于，所述釜体上连通设置有能显示所述釜体内的围压数值的第一压力表，所述釜体的外部还设置有第二压力表，所述第二压力表通过密封穿设通过所述釜体的测压管与所述柱塞泵的出口连通。